مدرستي
Physical Sciences🎓 baccalaureate goal

المتابعة الزمنية لتحول كيميائي في وسط مائي تطور كميات المتفاعلات والنواتج خلال تحول كيميائي في محلول مائي

العوامل الحركية و التفسير المجهري

🔊 The teacher reads for you
نفس الطعام يفسد في يومين خارج الثلاجة ويبقى صالحا أسبوعا داخلها، وينضج في ساعة على النار العادية وفي دقائق في طنجرة الضغط. ما الذي نغيّره في هذه المواقف لنغيّر مدّة التحوّل الكيميائي ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تسمّي العوامل الحركية التي تدرسها هذه التجارب وتصف أثر كلّ واحد منها
  • أن تتوقّع أثر رفع درجة الحرارة أو التركيز الابتدائي أو كمّية الوسيط أو مساحة سطح التلامس على مدّة التحوّل
  • أن تميّز بين الوساطة المتجانسة وغير المتجانسة والأنزيمية
  • أن تفسّر مجهريّا أثر كلّ عامل بلغة التصادمات الفعّالة
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • أنواع التحوّلات: السريع والبطيء والبطيء جدّا
  • المتابعة الزمنية لتحوّل كيميائي وقراءة منحنى التقدّم
  • كمّية المادة في محلول انطلاقا من التركيز والحجم

❓إشكالية: أربعة أسئلة من الحياة اليومية، ووراءها سؤال واحد عن المدّة التي يستغرقها تحوّل كيميائي.

  1. لماذا نحافظ على المأكولات في الثلاجة ؟
  2. لماذا نضيف إلى جملة كيميائية ماء باردا أو جليدا ؟
  3. لماذا يحضّر الأكل بسرعة في طنجرة الضغط ؟
  4. كيف نفسّر سرعة بعض التفاعلات البيوكيميائية ؟

🔍التّحليل: في المواقف الأربعة لا يتغيّر التحوّل نفسه، بل الزمن الذي يستغرقه. نبرّد لنُبطئ التفاعل البيوكيميائي، ونضيف الجليد لنوقف تفاعلا، ونرفع الحرارة في طنجرة الضغط لنسرّع الطهي، وتساعد الأنزيمات على تفكيك الجزيئات فتسرّع التفاعل. المقدار الذي نغيّره في كلّ مرّة يُسمّى عاملا حركيّا.

نشاط 1: أثر درجة الحرارة

📌التجربة:

  1. نضع في بيشرين متماثلين A و B حجما قدره ⁦10 mL⁩ من محلول حمض الأوكساليك في كلّ منهما.
  2. نترك البيشر A عند درجة الحرارة العادية.
  3. نضع البيشر B في حمّام مائي ساخن.
  4. نضيف إلى البيشرين في نفس اللحظة نفس الحجم من محلول برمنغنات البوتاسيوم البنفسجي اللون.
  5. نقارن لوني البيشرين بعد مرور نفس المدّة الزمنية.

🔍الملاحظة: اللون البنفسجي يختفي في البيشر B الموضوع في الحمّام المائي أسرع ممّا يختفي في البيشر A المتروك عند درجة الحرارة العادية: بعد نفس المدّة صار B ورديّا باهتا بينما بقي A بنفسجيّا داكنا.

اللون النهائي واحد في البيشرين: ما تغيّر هو المدّة اللازمة لبلوغه.
كلّما ارتفعت درجة حرارة الوسط التفاعلي، كانت مدّة التحوّل أقصر، فيتسارع اختفاء المتفاعل وظهور الناتج. درجة الحرارة عامل حركي.

نشاط 2: أثر التركيز الابتدائي للمتفاعل

📌التجربة:

  1. نحضّر محلولين للماء الأكسجيني المحمّض بتركيزين مولّيين مختلفين.
  2. نأخذ من المحلول الأقلّ تركيزا حجما قدره ⁦20 mL⁩ في بيشر نسمّيه A، ومن المحلول الأكثر تركيزا نفس الحجم في بيشر نسمّيه B.
  3. نضيف إلى كلّ بيشر ⁦20 mL⁩ من محلول يود البوتاسيوم في نفس اللحظة.
  4. نقارن شدّة اللون الظاهر في البيشرين بعد مرور نفس المدّة الزمنية.

🔍الملاحظة: اللون يظهر في البيشر B، الأكثر تركيزا، أسرع وأشدّ: بعد نفس المدّة صار سائله أصفر برتقاليّا داكنا بينما بقي سائل البيشر A أصفر باهتا.

فرق الشدّة اللونية هو الدليل الوحيد على أثر التركيز: هو ما يُقاس، لا ما يُفترض.
كلّما تزايد التركيز المولي الابتدائي للمتفاعلات، كانت مدّة التحوّل أقصر والتفاعل أسرع. التركيز الابتدائي عامل حركي.
مثال 1: مقارنة كمّيتي المادة في بيشري النشاط 2

المحلولان المستعملان في النشاط 2 تركيزاهما المولّيان معلومان، والحجم المأخوذ من كلّ منهما هو نفسه.

🎯المطلوب: احسب النسبة بين كمّيتي مادة الماء الأكسجيني في البيشرين A و B

📌المعطى: التركيزان المولّيان والحجم المأخوذ من كلّ محلول
CA = 0,01 mol/L ; CB = 0,1 mol/L ; V = 20 mL
🔹الخطوة 1: كمّية المادة في البيشر الأقلّ تركيزا

لأنّ كمّية المادة المذابة في محلول هي جداء تركيزه المولي في الحجم المأخوذ منه، والحجم هنا بالميليلتر فتظهر الكمّية بالميلي مول

nA=CA × V=0,01 × 20=0,20 mmol
🔹الخطوة 2: كمّية المادة في البيشر الأكثر تركيزا

لأنّ الحجم المأخوذ هو نفسه في البيشرين: الفرق الوحيد بينهما هو التركيز، وهذا بالضبط ما تعزله التجربة

nB=CB × V=0,1 × 20=2,0 mmol
✅النّتيجة

لأنّ النسبة بين الكمّيتين هي نفسها النسبة بين التركيزين عندما يتساوى الحجمان: عشرة أضعاف من المتفاعل في نفس الحجم

nBnA=2,00,20=10
راقب دائما ما ثبّتته التجربة قبل أن تنسب الأثر إلى عامل: هنا ثُبّت الحجم ودرجة الحرارة، فلم يبق متغيّرا إلّا التركيز. تجربة لا تثبّت شيئا لا تبرهن على شيء.

نشاط 3: أثر الوسيط

📌التجربة:

  1. نأخذ ثلاثة بياشر A و B و C ونضع في كلّ واحد منها نفس الكمّية من محلول الماء الأكسجيني.
  2. نضيف إلى البيشر A قطعة من الكبد.
  3. نضيف إلى البيشر B محلولا مركّزا لكلور الحديد الثلاثي.
  4. نضع في البيشر C صفيحة من البلاتين.
  5. نقرّب عود ثقاب متوهّجا من فوهة كلّ بيشر ونقارن ما يحدث.

🔍الملاحظة: ينطلق في البياشر الثلاثة غاز يزيد في اشتعال اللهب، وهو ثنائي الأكسجين، لكن بكثافات مختلفة ومظاهر مختلفة: راسب بنّي داكن في القاع مع الكبد، وسائل بنّي محمرّ داكن مع كلور الحديد الثلاثي، وحبيبات معدنية رمادية في القاع مع البلاتين.

ثلاثة وسائط مختلفة الطبيعة، وتحوّل واحد يتسارع في الحالات الثلاث.
البلاتين ومحلول كلور الحديد الثلاثي والكبد كلّها وسائط: تسرّع تفكّك الماء الأكسجيني دون أن تُستهلك ودون أن تغيّر الحالة النهائية للجملة. الوسيط عامل حركي.
معادلة تفكّك الماء الأكسجيني
2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g)

🔍التّحليل: الوسائط الثلاثة لعبت الدور نفسه بأشكال مختلفة، ومن هذا الاختلاف تأتي التسمية:

✅النّتيجة: أنواع الوساطة
  • وساطة غير متجانسة مع البلاتين: الوسيط في حالة مادّية تختلف عن الحالة المادّية للأفراد الكيميائية المتحوّلة في الجملة.
  • وساطة متجانسة مع شوارد الحديد الثلاثي: الوسيط في نفس الحالة المادّية للأفراد الكيميائية المتحوّلة.
  • وساطة أنزيمية مع الكبد: الوسيط من طبيعة حيوية، وهو أنزيم موجود في الدم.

📌تجربة ثانية: هل لكمّية الوسيط أثر؟

  1. نضع في وعاءين مدرّجين A و B نفس الحجم ⁦30 mL⁩ من نفس محلول الماء الأكسجيني.
  2. نسكب في الوعاء A حجما قدره ⁦1,0 mL⁩ من محلول كلور الحديد الثلاثي تركيزه المولي ⁦0,2 mol/L⁩، ثمّ ⁦4,0 mL⁩ من الماء المقطّر.
  3. نسكب في الوعاء B حجما قدره ⁦5,0 mL⁩ من نفس المحلول: يتساوى حجما المزيجين، ولا يختلف الوعاءان إلّا في كمّية الوسيط.
  4. نقرّب عود ثقاب متوهّجا من فوهة كلّ وعاء.

🔍الملاحظة: ينطلق ثنائي الأكسجين في الوعاءين، لكنّ انطلاقه أغزر في الوعاء B، ويشتدّ عنده توهّج عود الثقاب.

الماء الأكسجيني نفسه والوسيط نفسه: ما تغيّر هو كمّية الوسيط وحدها.
كلّما زادت كمّية الوسيط، كان التحوّل أسرع. ومع ذلك تُستعمل الوسائط بكمّيات قليلة: فهي لا تُستهلك، وتظهر في الحالة النهائية كما كانت في الحالة الابتدائية، ولهذا لا تُكتب في معادلة التفاعل.
مثال 2: كمّية ثنائي الأكسجين المتشكّلة عند تفكّك تامّ

نأخذ عيّنة من الماء الأكسجيني ونضيف إليها وسيطا حتّى يتمّ التفكّك كلّيّا. كمّية المادة الابتدائية في العيّنة معلومة.

🎯المطلوب: احسب كمّية مادة ثنائي الأكسجين المتشكّلة عند التفكّك التامّ للعيّنة

📌المعطى: كمّية مادة الماء الأكسجيني في العيّنة
n0 = 5,0 × 10−2 mol
🔹الخطوة 1: كمّية المتفاعل المتبقّية عند التقدّم x

لأنّ معاملي المعادلة يفرضان اختفاء مولين من الماء الأكسجيني مقابل كلّ وحدة تقدّم: العامل 2 ليس تفصيلا، هو الذي يقسم النتيجة

n(H₂O₂) = n0 − 2 x
🔹الخطوة 2: شرط التفكّك التامّ

لأنّ الماء الأكسجيني هو المتفاعل الوحيد: التفكّك يتوقّف حين ينفد، فتنعدم كمّيته عند التقدّم الأعظمي

n0 − 2 xmax = 0
🔹الخطوة 3: التقدّم الأعظمي

لأنّ حلّ هذه المعادلة يعطي التقدّم الأعظمي مباشرة بدلالة الكمّية الابتدائية

xmax = n02
✅النّتيجة

لأنّ جدول التقدّم يعطي مولا واحدا من ثنائي الأكسجين لكلّ وحدة تقدّم: الكمّية المتشكّلة هي التقدّم الأعظمي نفسه

n(O₂)=xmax=2,5 × 10−2 mol
الوسيط لا يظهر في المعادلة ولا يغيّر هذه النتيجة: مهما كان الوسيط المستعمل، كمّية ثنائي الأكسجين المتشكّلة هي نفسها. الوسيط يغيّر المدّة وحدها.
مثال 3: ما يغيّره العامل الحركي وما لا يغيّره

نحضّر بيشرين A و B فيهما نفس العيّنة من الماء الأكسجيني ونفس الوسيط، ولا يختلفان إلّا في درجة الحرارة: نترك A عند درجة الحرارة العادية ونضع B في حمّام مائي ساخن. نتابع التحوّلين ونقيس زمن نصف التفاعل في كلّ بيشر.

🎯المطلوب: قارن بين البيشرين من حيث كمّية ثنائي الأكسجين المتشكّلة ومن حيث مدّة التحوّل

📌المعطى: الكمّية الابتدائية المشتركة وزمنا نصف التفاعل المقيسان
n0 = 5,0 × 10−2 mol ; tA = 300 s ; tB = 60 s
🔹الخطوة 1: التقدّم الأعظمي في كلّ بيشر

لأنّ التقدّم الأعظمي يُقرأ من جدول التقدّم وحده: يحدّده المتفاعل المحدّ وكمّيته الابتدائية، لا الشروط التي جرى فيها التحوّل

xmax=n02=2,5 × 10−2 mol
🔹الخطوة 2: كمّية الناتج النهائية في البيشرين

لأنّ الكمّية الابتدائية واحدة في البيشرين: التقدّم الأعظمي واحد، فكمّية ثنائي الأكسجين المتشكّلة في النهاية واحدة كذلك

nA(O₂)=nB(O₂)=2,5 × 10−2 mol
🔹الخطوة 3: مقارنة المدّتين

لأنّ ما تغيّر فعلا بين البيشرين هو الزمن وحده: نقيسه بحاصل قسمة زمني نصف التفاعل، لا بفرقهما

tAtB = 30060
✅النّتيجة

لأنّ هذا العدد يلخّص أثر العامل الحركي كلّه: خمس مرّات أسرع، وصفر تغيير في كمّية الناتج

tAtB = 5
اقرأ السؤال قبل أن تحسب: إن سُئلت عن كمّية ناتج فالجواب في جدول التقدّم ولا علاقة له بالعامل الحركي، وإن سُئلت عن مدّة أو سرعة فالجواب في العامل الحركي ولا علاقة له بجدول التقدّم.

نشاط 4: أثر مساحة سطح التلامس

📌التجربة:

  1. نضع في أنبوبي اختبار A و B نفس الحجم من نفس محلول حمض كلور الماء.
  2. نضيف إلى الأنبوب A مسمارا من الحديد، وإلى الأنبوب B برادة حديد لها نفس الكتلة.
  3. نقارن انطلاق الغاز في الأنبوبين خلال المدّة نفسها.

🔍الملاحظة: ينطلق غاز ثنائي الهيدروجين في الأنبوبين، لكنّ انطلاقه محدود في الأنبوب A، حيث مساحة تلامس الحديد مع المحلول صغيرة، وغزير في الأنبوب B، حيث هذه المساحة كبيرة.

نفس الكتلة من الحديد في نفس الحمض: ما تغيّر هو مساحة السطح الذي يلامس المحلول.
كلّما كانت مساحة سطح التلامس بين المتفاعلات أكبر — كأن يُستعمل المتفاعل الصلب برادة أو مسحوقا بدل قطعة واحدة — كان التحوّل أسرع. مساحة سطح التلامس عامل حركي حين يكون أحد المتفاعلات صلبا.

🔍التفسير المجهري

العوامل الحركية لا تعمل بآليات مستقلّة: كلّها تعود إلى شيء واحد، هو التصادمات الفعّالة بين الأفراد الكيميائية.

  • عندما ترتفع درجة حرارة الجملة تزداد حركة الأفراد المتواجدة فيها، فيرتفع تواتر التصادمات بينها؛ كما تزداد طاقتها الحركية فيرتفع احتمال أن تكون هذه التصادمات فعّالة.
  • عندما يزداد عدد الأفراد الكيميائية في حجم معيّن، أي عندما يرتفع التركيز، تزداد التصادمات بين الأفراد المتفاعلة فيزداد احتمال حدوث تصادمات فعّالة.
  • الوسيط يوفّر مسلكا يحتاج طاقة أقلّ لتفكيك الروابط وتشكيل أفراد كيميائية جديدة، فيساهم في تسريع التفاعل؛ وكلّما زادت كمّيته زاد عدد الأفراد التي تسلك هذا المسلك في وحدة الزمن.
مبدأ: التصادم الفعّال هو وحدة التفسير المجهري للعوامل الحركية. كلّ عامل حركي يعمل إمّا برفع تواتر التصادمات، وإمّا برفع نسبة الفعّال منها.

ومساحة سطح التلامس تخضع للمبدأ نفسه: التحوّل يحدث عند سطح المتفاعل الصلب، فكلّما كبرت هذه المساحة زاد عدد أفراده المعرّضة لتصادم الأفراد المتفاعلة الأخرى في وحدة الزمن، فارتفع تواتر التصادمات الفعّالة.

أهمية العوامل الحركية

  • التركيز المولي للمتفاعلات: يسمح بتوقيف تفاعل عنيف أو بتسريع تفاعل بطيء.
  • درجة الحرارة: تسمح بتوقيف تفاعل كيميائي أو بتسريعه، كما في حفظ الأكل وطهيه.
  • الوسيط: دوره كبير في البيوكيمياء، كما في الطبّ، وفي الصناعة كذلك.

التحكّم في هذه العوامل هو ما يسمح بتوجيه التحوّل نحو الناتج المرغوب فيه: فتسخين بخار الكحول الإيثيلي بوجود النحاس يعطي مركّبا، وتسخينه بوجود الألومين يعطي مركّبا آخر تماما، انطلاقا من نفس المتفاعل.

نزع الهيدروجين بوساطة النحاس
C₂H₅OH(g) → CH₃CHO(g) + H₂(g)
نزع الماء بوساطة الألومين
C₂H₅OH(g) → C₂H₄(g) + H₂O(g)
التحكّم في درجة الحرارة ليس ترفا مخبريّا: سوء تنظيمها هو سبب أغلب حوادث مصانع المواد الكيميائية، ومنها الكارثة التي وقعت قرب مدينة ميلانو في العاشر من جويلية 1976. وفي الاتّجاه المعاكس، خفض الحرارة إلى نحو أربع درجات في الثلاجة، أو إلى ثمانية عشر تحت الصفر في المجمّد، يُبطئ تفاعلات الفساد إلى حدّ يسمح بالحفظ أشهرا.
العامل الحركي يغيّر المدّة، لا الحالة النهائية: البيشران في النشاط الأوّل يبلغان نفس اللون في النهاية، والوسيط لا يظهر في المعادلة ولا يُستهلك. من ينسب إلى عامل حركي تغييرا في كمّية الناتج يكون قد خلط بين السرعة والحصيلة.
في البكالوريا يأتي هذا الدرس في سؤال على منحنيين أو أكثر لنفس التحوّل في شروط مختلفة: «ما العامل الحركي المدروس؟ فسّر أثره مجهريّا». جهّز ثلاثة عناصر: ① العوامل الحركية: درجة الحرارة، والتركيز الابتدائي للمتفاعلات، والوسيط وكمّيته، ومساحة سطح التلامس حين يكون أحد المتفاعلات صلبا — ورفعُ كلّ منها، أو إضافة الوسيط، يقصّر مدّة التحوّل ؛ ② التفسير المجهري في جملة واحدة: كلّ عامل يعمل إمّا برفع تواتر التصادمات، وإمّا برفع نسبة الفعّال منها — فالتركيز يزيد التصادمات في الحجم نفسه، والحرارة تزيد حركة الأفراد وطاقتها الحركية، ومساحة التلامس تزيد عدد الأفراد المعرّضة للتصادم ؛ ③ الوسيط: لا يظهر في المعادلة ولا يُستهلك، وأنواع الوساطة ثلاثة: متجانسة، وغير متجانسة، وأنزيمية. ⚠️ الخطأ الشائع: نسبة تغيير في كمّية الناتج إلى عامل حركي ؛ العامل الحركي يغيّر المدّة لا الحالة النهائية، ومن يقول غير ذلك يخلط بين السرعة والحصيلة. ⚠️ وخطأ ثانٍ: الاكتفاء بقول «يسرّع التفاعل» دون التفسير بالتصادمات الفعّالة.
خلاصة: العوامل الحركية الأساسية ثلاثة — درجة الحرارة، والتركيز الابتدائي للمتفاعلات، والوسيط، ويشتدّ أثره كلّما زادت كمّيته ؛ ويُضاف إليها مساحة سطح التلامس حين يكون أحد المتفاعلات صلبا. كلّها تغيّر مدّة التحوّل دون أن تغيّر حالته النهائية، وكلّها تُفسَّر مجهريّا بالتصادمات الفعّالة: رفع تواترها أو رفع نسبة الفعّال منها. والوساطة ثلاثة أنواع: متجانسة وغير متجانسة وأنزيمية.

Page 1/10

© Madrassati — a lesson written by Madrassati · madrassati.net